FÍSICA III
AULA 01: CARGA ELÉTRICA - LEI DE COULOMB
TÓPICO 01: CARGA ELÉTRICA
Veja as notícias publicadas nos Jornais O Povo, edição de 15/03/07 e TV
Canal 13, edição de 27/03/2008, sobre carga elétrica. Clique nos jornais
abaixo para ver as notícias:
Para vizualizar esse conteúdo acesse o ambiente solar
Essas notícias e muitas outras desse tipo, que você lê ou ouve no seu diaa-dia, são diretamente relacionadas à eletricidade. Mas espere um pouco,
não pense que a eletricidade é uma fonte de tragédias. Na verdade, sem ela a
vida seria muito difícil.
Você já imaginou alguma vez em sua vida, como seria o mundo sem
eletricidade? Não é possível imaginar uma coisa dessas não é? A eletricidade
nos cerca por todos os lados. Seria muito difícil viver em um mundo sem
lâmpadas elétricas, geladeiras, ferro elétrico, televisor, computador, enfim,
sem todos esses confortos da vida moderna que dependem diretamente da
eletricidade para poder funcionar.
OLHANDO DE PERTO
A eletricidade está envolvida em fenômenos muito mais importantes
do que o funcionamento de equipamentos elétricos. A eletricidade está na
origem e no desenvolvimento da própria vida.
A eletricidade está envolvida profundamente no processo de
fecundação do ser humano, na atividade do coração e do cérebro.
A ELETRICIDADE NA ORIGEM, DESENVOLVIMENTO E MELHORIA DE NOSSA
VIDA
NO PROCESSO DE FECUNDAÇÃO
NA ATIVIDADE CEREBRAL
NA ATIVIDADE CARDÍACA
NA ASSISTÊNCIA ELÉTRICA AO CORAÇÃO
NO PROGRESSO DA MEDICINA
NO PROCESSO DE FECUNDAÇÃO
No processo de fecundação apenas um espermatozoide penetra o oócito
e neste exato momento, uma contra ordem elétrica é produzida na
membrana que se fecha, impedindo a entrada de qualquer outro. A entrada
do espermatozoide no oócito provoca uma reação cujo efeito é alterar as
características elétricas da membrana plasmática provocando sua
despolarização. Esse processo é muito rápido e impede, temporariamente,
que novos espermatozoides fundam a sua membrana com a do oócito.
Portanto, a Eletricidade é um dos processos responsáveis pela fecundação.
Para saber mais sobre esse assunto veja:
Como funciona a reprodução humana [2] (Craig C. Freudenrich, Ph.D.)
NA ATIVIDADE CEREBRAL
Agora mesmo, enquanto você estuda esta aula, as células do seu cérebro
estão trabalhando para que você consiga desempenhar a sua tarefa. A
atividade cerebral ainda não é completamente entendida, mas certamente
ela envolve uma atividade elétrica. Seja qual for a nossa atividade: o bater do
nosso coração, o movimento de um músculo, um piscar de olhos, o ato de
respirar, sempre acarretará a presença de uma corrente elétrica através dos
neurônios. A tensão elétrica decorrente dessa corrente equivale a mais ou
menos 5% da tensão produzida por uma pilha AAA. A medida da atividade
cerebral é feita através do eletroencefalograma (EEG) que mede a
propagação do estímulo nervoso no cérebro através de eletrodos colocados
na cabeça do paciente.
NA ATIVIDADE CARDÍACA
Para que o coração funcione, bombeando o sangue arterial para todo o
organismo, é necessário que as suas células sejam inicialmente ativadas por
um estímulo elétrico que comanda o funcionamento do coração. A atividade
elétrica gerada no coração é captada por meio de eletrodos colocados em
determinadas posições padronizadas no nosso corpo, considerando que o
corpo humano é um bom condutor de eletricidade. Esta atividade elétrica é
mostrada no eletrocardiograma que, assim, pode ser definido como o
registro gráfico da atividade elétrica do coração.
NA ASSISTÊNCIA ELÉTRICA AO CORAÇÃO
Se, por algum motivo o ritmo normal do coração for perturbado, o
coração deve ser assistido através do uso de um marcapasso artificial. O
marcapasso é um sistema de estimulação elétrica que consiste em um
gerador de pulsos e um eletrodo. O gerador de pulsos elétricos é um circuito
eletrônico miniaturizado e em uma bateria compacta. O marcapasso está
apto a reconhecer ou perceber a atividade cardíaca. Quando o marcapasso
não capta nenhuma pulsação natural, libera um impulso elétrico. Como
resultado, o músculo cardíaco contrai-se. O marcapasso é ligado ao coração
através de um ou dois eletrodos. O eletrodo é um fio condutor muito fino,
eletricamente isolado, que é colocado diretamente no lado direito do
coração. É através destes fios que os impulsos elétricos são transportados até
o coração. Para saber mais sobre este assunto veja, por exemplo: Marcapasso
Cardíaco - vamos conhecê-lo [3]
NO PROGRESSO DA MEDICINA
Ondas cerebrais de bebê são medidas no útero – Uma Pesquisa
desenvolvida por cientistas da Universidade de Arkansas, nos Estados
Unidos, resultou em um teste cuja finalidade é medir os sinais elétricos do
cérebro de um feto. Essa pesquisa pode, um dia, ajudar os médicos a
proteger os bebês de lesões ocorridas ainda no útero de suas mães.
Para saber mais sobre esse assunto veja:
Ondas cerebrais de bebê são medidas no útero [4]
OLHANDO DE PERTO
Como você pode ver, este é um assunto importante demais e você,
como futuro professor de Física, precisa conhecê-lo a fundo para que em
um futuro próximo possa mostrar aos seus alunos que a Eletricidade não é
um choque.
Mas o que é eletricidade? De onde ela vem?
CARGA ELÉTRICA
A origem da eletricidade é muito antiga. Sete séculos antes do
nascimento de Cristo, na Grécia, o filósofo Tales de Mileto [5] observou um
fenômeno curioso. Ao esfregar um pedaço de âmbar ( -- (um tipo de resina
vegetal fóssil, de uma espécie de pinheiro já desaparecida há milhões de
anos, tem uma cor amarela semi-transparente e, por combustão, exala tem
um aroma muito agradável. Com o passar do tempo, a resina perdeu água e
ar, e as substâncias orgânicas que a constituíam sofreram o que os químicos
chamam de polimerização: a resina endureceu e se transformou naquilo que
conhecemos como âmbar).) em um pedaço de lã, ele notou que o âmbar
adquiria a capacidade de atrair objetos leves como pequenos pedaços de
palha e fragmentos de madeira. A origem dessa atração está ligada a uma
propriedade da matéria chamada CARGA ELÉTRICA.
Hoje podemos dizer que o âmbar adquiria uma carga elétrica, isto é,
tornava-se carregado.
DICA
A palavra eletricidade vem da palavra grega elektron que quer
dizer "âmbar".
OLHANDO DE PERTO
A carga elétrica, assim como a massa é uma propriedade intrínseca da
matéria.
OS DOIS TIPOS DE CARGAS ELÉTRICAS.
Você não precisa voltar no tempo à época de Tales de Mileto
para observar os fenômenos da eletricidade. Em sua casa mesmo
você poderá fazer esta experiência muito simples:
Você só vai precisar de um pente de plástico, uma flanela e um
pedaço de papel cortado em pedaços bem pequenos.
Então, vamos começar?
1 - Esfregue rapidamente, várias vezes o pente na flanela.
2 - Segure o pente com dois dedos, evite tocá-lo diretamente
com a mão. Encoste o pente no papel, levante-o com cuidado e
observe: alguns pedaços ficam grudados no pente!
3 - Você também pode levantar seu cabelo (seco), aproximando
o pente da cabeça.
Fonte
[6]
Outra experiência fácil de ser feita, para a qual você só precisa
de:
Um tubo de vidro (um tubo de ensaio, por exemplo);
Um pedaço de seda ou lã;
Fonte
[7]
Como fazer: Esfrega-se vigorosamente o pedaço de seda no tubo
de vidro, tomando o cuidado de fazê-lo sempre na mesma região.
Em seguida, separamos os dois (vidro e seda) e notamos que há
entre eles uma força de atração, em decorrência das cargas de sinais
contrários no vidro e na seda.
Fonte
[8]
Se você aproximar o bastão de vidro depois de esfregado com a
seda, daquele pente da experiência anterior, verá que os dois, pente e
bastão se atraem, mas entre o pente e o pedaço de seda haverá uma
repulsão.
Essas experiências e muitas outras semelhantes a elas mostram
que existem dois tipos de interação: repulsão e atração, o que nos
conduz à suposição que existem dois tipos de carga: Um tipo de
carga acumulado no pente e outro tipo acumulado no bastão de
vidro.
Como você sabe, antigamente não existia o plástico. Os pentes
eram feitos de resina, por exemplo.
Aos dois tipos de carga, deu-se o nome de "vítrea" para as que
aparecem no vidro e de "resinosa" para as da resina. Foi Benjamin
Franklin [9] (1706-1790) quem escolheu chamar a carga que surgiu
no vidro de positiva e no pente de negativa. Essa denominação é
usada até hoje.
Para compreender a existência de tipos diferentes de cargas vamos dar
uma olhada na estrutura do átomo.
OS DOIS TIPOS DE CARGAS ELÉTRICAS.
Os átomos são formados por três tipos diferentes de partículas: Os
prótons e os nêutrons que constituem o núcleo e os elétrons que
circundam o núcleo.
Fonte [10]
Os prótons têm carga positiva (+ e ), os elétrons carga negativa (–
e ) e os nêutrons, como o nome indica, não têm carga elétrica.
Um átomo é eletricamente neutro, isto é as cargas positivas têm o
mesmo valor que as cargas negativas dos elétrons.Quando um elétron
abandona o átomo, vencendo a força de atração do núcleo, o átomo
que perdeu uma carga negativa, fica carregado positivamente.
Se o elétron livre ligar-se a outro átomo, esse átomo
agora adquire uma carga total negativa.
Tanto a falta como o excesso de elétrons, deixam o átomo com um
desequilíbrio de carga. Os átomos que apresentam desequilíbrio de
carga se chamam íons.
Dos estudos de Millikan [11] e Thomson [12] ficou estabelecido que o
módulo da carga negativa do elétron é exatamente igual ao módulo da carga
positiva do próton.
DICA
De acordo com o modelo atômico atual, os prótons e nêutrons não são
mais considerados partículas elementares. Eles seriam formados de três
partículas ainda menores. Para saber um pouco sobre assunto, acesse:
quarks [13].
Quando um corpo é eletrizado há um desequilíbrio entre suas cargas
elétricas causado, em geral, pela perda ou ganho de elétrons.
A carga nunca é criada nem destruída.
Os elétrons têm maior mobilidade do que os prótons que estão presos no
núcleo, por isso é mais fácil transferir elétrons de um corpo para outro.
Você está se iniciando no estudo da Eletrostática - (Clique aqui).
A Eletrostática (do grego elektron + statikos que significa
estacionário) é o ramo da Física que estuda as propriedades e o
comportamento das cargas elétricas em repouso em relação a um
sistema inercial de referência. Generalizando, a Eletrostática estuda os
casos de equilíbrio dos corpos carregados.
Você já ouviu falar que os opostos se atraem? É exatamente isso que
acontece na natureza,(com relação à Eletricidade) a carga positiva ( + ) atrai
a carga negativa( – ) e vice-versa.
PARADA OBRIGATÓRIA
Lei de du Fay [14]:
Cargas de mesmos sinais se repelem e cargas de sinais opostos se
atraem.
OLHANDO DE PERTO
A unidade de carga no sistema SI é o Coulomb, em homenagem a
Charles Augustin de Coulomb [17].
Processos de eletrização
Podemos eletrizar um corpo por três maneiras:
ELETRIZAÇÃO POR ATRITO
ELETRIZAÇÃO POR CONTATO
ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO
ELETRIZAÇÃO POR ATRITO
Esse processo é conhecido desde a Antiguidade, pelos gregos, e consiste
em se atrair corpos inicialmente neutros.Com o atrito ocorre a transferência
de elétrons de um corpo para outro. O corpo que perde elétrons fica
eletrizado positivamente e aquele que ganha elétrons, eletriza-se
negativamente. Você vai aprender, ainda nesta Aula 1, que a carga sempre se
conserva.
Lembra da experiência com o pente?
Na fricção do pente com a flanela, o atrito faz com que ele ganhe mais
carga negativa( - ). Por conservação da carga a flanela fica carregada
positivamente.
No caso do bastão de vidro atritado com a seda ocorre uma transferência
de elétrons do bastão para a seda.
Fonte [18]
ELETRIZAÇÃO POR CONTATO
O corpo é eletrizado pelo contato com outro corpo previamente
carregado.
Colocando-se em contato dois condutores, um neutro B e o outro
eletrizado A, o corpo neutro B se eletriza com carga de mesmo sinal que A.
Considere que A está eletrizado positivamente. Ao entrar em contato
com B, ele atrai parte dos elétrons livres de B. Assim, A continua eletrizado
positivamente, mas com carga menor e B, que estava neutro, fica eletrizado
positivamente.
Na eletrização por contato os corpos sempre se eletrizam com cargas de
mesmo sinal.
OBSERVAÇÃO: É importante não esquecer o princípio da conservação
das cargas elétricas: A quantidade de cargas elétricas antes do
contato é igual à quantidade de cargas elétricas depois do contato.
Se os dois corpos forem absolutamente idênticos, no final da experiência
eles ficarão com a mesma quantidade de carga elétrica, que será determinada
pela média aritmética da quantidade de cargas antes do contato.
ELETRIZAÇÃO POR INDUÇÃO
Na eletrização por atrito e por contato, é necessário que haja contato
físico entre os corpos. Na eletrização por indução o contato não é necessário.
Deve haver um condutor carregado que será o indutor e os condutores
neutros serão os induzidos.
Considere três condutores, um carregado eletricamente e ou outros dois
neutros e encostados um no outro.
Aproxime o condutor carregado dos condutores neutros.
Durante a aproximação, ocorre uma separação de cargas nos condutores
neutros. Como o indutor é positivo, o corpo (induzido) que está mais
próximo do indutor ficará negativo e o outro corpo (induzido) que está mais
afastado ficará positivo.
Agora com o indutor ainda próximo, separe os dois condutores que
estão juntos. Finalmente retira-se o indutor das proximidades dos outros
dois corpos. Você terá como resultado os dois condutores que inicialmente
estavam neutros, agora carregados com cargas de sinais opostos.
Note que não houve, em nenhum momento, o contato entre o condutor
carregado (indutor) e os condutores inicialmente neutros (induzidos). Por
isso esse processo é chamado de indução.
O condutor que provoca a indução, é denominado indutor e o
condutor que sofre indução, é denominado induzido.
Em um processo de indução envolvendo apenas dois
condutores (um indutor e um induzido) o induzido sempre se
eletriza com carga de sinal contrário ao da carga do indutor.
DESAFIO
No processo de indução que você viu acima, como ficariam as cargas
dos induzidos se eles tivessem, cada um, o dobro do tamanho do indutor?
Os aparelhos que servem para verificar se um corpo está eletrizado são
chamados de eletroscópios.
VERSÃO TEXTUAL
Os eletroscópios podem ser de vários tipos:
Pêndulo Elétrico
Como o próprio nome indica esse instrumento é um pêndulo, feito
de uma esfera sem carga (neutra), um fio de seda (isolante) e uma
haste.
Ele funciona da seguinte maneira:
Se aproximarmos um corpo da esfera e ela for atraída por ele,
então esse corpo estará carregado. Se nada acontecer, então este corpo
estará neutro, isto é, descarregado.
As imagens seguintes descrevem a sucessão de fases de uma
experiência eletrostática usando um eletroscópio de pêndulo.
Tente explicar o que está acontecendo em cada uma das situações
mostradas acima
Eletroscópio de Folhas
Esse é o tipo de eletroscópio mais usado. Ele é formado por uma
haste metálica, que é ligada na parte superior a uma esfera metálica, e
na parte inferior a duas folhas metálicas bem finas. As duas folhas são
mantidas no interior de um recipiente que pode ser uma garrafa de
vidro.
Se você quer saber se um corpo está eletrizado, deve aproximar o
corpo da esfera. A esfera, a haste e as duas lâminas eletrizam-se com
cargas de mesmo sinal que a do corpo. As duas folhas repelem-se, já
que têm cargas de sinais iguais.
DESAFIO 2
Por que você não tenta construir o seu próprio eletroscópio?
DESAFIO 3
Tente mais este desafio:
Sendo dadas duas esferas de metal montadas em suporte portátil de
material isolante, invente um modo de carregá-las com quantidades de
cargas iguais e de sinais opostos. Você pode usar uma barra de vidro
atritada com seda, mas ela não pode tocar as esferas. É necessário que as
esferas sejam do mesmo tamanho, para o método funcionar?
DESAFIO 4
COM O QUE VOCÊ APRENDEU NESTE TÓPICO, TENTE RESOLVER
MAIS ESTE DESAFIO
Três esferas metálicas iguais, A, B e C, estão apoiadas em suportes
isolantes, tendo a esfera A carga elétrica negativa. Próximas a ela, as
esferas B e C estão em contato entre si, sendo que C está ligada à Terra por
um fio condutor, como na figura. A partir dessa configuração, o fio é
retirado e, em seguida a esfera A é levada para muito longe. Finalmente, as
esferas; B e C são afastadas uma da outra. Qual é o item abaixo que
corresponde às cargas das esferas?
Não se esqueça de justificar suas respostas.
FÓRUM
Com base nos conhecimentos adquiridos neste tópico, discuta com os
seus colegas e seu professor a seguinte questão:
É possível atrairmos pedacinhos de papel com um canudinho de
plástico, previamente atritado com flanela. Explique os fenômenos
elétricos que permitem tal experiência se os pedacinhos de papel estavam
eletricamente neutros.
EXERCITANDO
Antes de você começar a resolver os exercícios, é bom ver antes alguns
exemplos resolvidos. Clique aqui (Visite a aula online para realizar
download deste arquivo.) e acesse a lista de Exemplos Resolvidos da Aula
01-Tópico 01.
FONTES DAS IMAGENS
1. http://www.adobe.com/go/getflashplayer
2. http://saude.hsw.uol.com.br/reproducao-humana13.htm#author
3. http://www.lincx.com.br/lincx/saude_a_z/saude_homem/marcapasso.
asp
4. http://www.saudeemmovimento.com.br/reportagem/noticia_exibe.asp
?cod_noticia=758
5. http://pt.wikipedia.org/wiki/Tales_de_Mileto
6. http://www.bugigangue.com.br/bugigangue/html/materias/expe.htm
7. http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20031/Letiano/Eletrizacao.htm
8. http://www.if.ufrgs.br/tex/fis01043/20031/Letiano/Eletrizacao.htm
9. http://pt.wikipedia.org/wiki/Benjamin_Franklin
10. http://www.las.inpe.br/~cesar/Infrared/gifs/atomo.jpg
11. http://pt.wikipedia.org/wiki/Robert_Andrews_Millikan
12. http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/index.php?
idSecao=9&idSubSecao=&idTexto=16
13. http://pt.wikipedia.org/wiki/Quark
14. http://pt.wikipedia.org/wiki/Charles_Du_Fay
15. http://www.adobe.com/go/getflashplayer
16. http://www.adobe.com/go/getflashplayer
17. http://www.e-escola.pt/site/personalidade.asp?per=23
18. http://www.geocities.com/informacao_us/atrito.jpg
19. http://www.adobe.com/go/getflashplayer
20. http://www.adobe.com/go/getflashplayer
Responsável: Profª. Talita Felipe de Vasconcelos
Universidade Federal do Ceará - Instituto UFC Virtual